Toxicité, transfert et gestion subcellulaire de l’yttrium (Y) chez trois organismes d’eau douce

Abstract

Les métaux inclus dans le groupe des éléments de Terres Rares (ETR), ressource essentielle à l’électrification des transports et à la production d’énergie éolienne, entre autres, pourraient être exploités au Canada dans un futur proche. Cette exploitation minière, associée à leur utilisation industrielle croissante, serait susceptible d’entraîner une contamination en ETR des milieux aquatiques dulcicoles. Il convient donc d’évaluer le danger associé à ces métaux pour ces écosystèmes. L’yttrium (Y) est parmi les quatre ETR les plus abondants, le seul faisant parti du groupe dit des ETR lourds. Il est aussi celui dont la toxicité a le moins fait l’objet d’études à ce jour. Pourtant, de premières études suggèrent des écarts de toxicité significatifs entre les ETR lourds et les ETR légers. Cette thèse vise par conséquent à évaluer en laboratoire la toxicité et le transfert trophique de l’Y en relation avec son fractionnement subcellulaire chez trois organismes dulcicoles : Daphnia magna, Chironomus riparius et Oncorhynchus mykiss. L’étude de la distribution intracellulaire des métaux ouvre des voies prometteuses en écotoxicologie. Cependant, suivant l’organisme considéré et la méthode d’homogénéisation utilisée, le protocole de fractionnement peut conduire à une séparation erronée des différentes composantes subcellulaires. Le premier volet de cette thèse vise de ce fait à optimiser, à l’aide d’essais enzymatiques, le protocole de fractionnement pour nos trois organismes. Quel que soit le protocole appliqué, des écarts importants ont été observés entre les fractions véritablement séparées et validées durant nos essais et celles prédites dans la littérature en absence de vérification. Ce volet de la thèse se conclut sur l’établissement de protocole de fractionnement adaptée à chacun de nos organismes et sur la recommandation de préférer l’utilisation de fraction validées aux fractions prédites dans toutes études de fractionnement subcellulaire des métaux. La toxicité chronique de l’Y est évaluée dans le deuxième volet de la thèse à travers des bioessais exposant nos trois organismes à des concentrations sub-létales en Y. Seule l’espèce benthique, C. riparius, a présenté des signes de toxicité pour des concentrations d’exposition proches de celles relevées en milieu naturel. Par ailleurs, différentes stratégies de régulation subcellulaire de l’Y ont été mises en évidence entre chaque organisme. D. magna ii par exemple, en accumulant très majoritairement l’Y dans ses fractions détoxiquées, était capable de bioaccumuler des quantités d’Y par masse de tissu jusqu’à cent fois plus élevées que les deux autres organismes. Le troisième volet de la thèse examine le potentiel de transfert trophique de l’Y. Des expériences d’exposition de O. mykiss soit à des daphnies soit à une eau préalablement enrichie en Y ont ainsi été réalisées et comparées. Comme prédit à la vue du fractionnement subcellulaire de cet élément chez D. magna, le transfert trophique de l’Y s’est avéré très faible durant nos essais. Au niveau des tissus, ce métal se distribuait dans l’ordre suivant chez O. mykiss : intestin > branchies > foie > muscle. Toutefois, à l’inverse des autres organes, aucun phénomène de dépuration n’était mesuré dans le foie. Le volet conclut sur l’importance de cet organe dans l’étude de la toxicité des ETR. Cette thèse contribue à perfectionner la méthode de fractionnement subcellulaire des métaux et les interprétations qui lui sont liées. Elle confirme l’intérêt de ce type d’analyse dans la compréhension des mécanismes liés à la toxicité et au transfert des métaux. Enfin, à travers l’estimation de seuils de toxicité pour l’Y et de son potentiel de transfert trophique, cette thèse contribue à l’évaluation du risque induit par l’Y sur les écosystèmes dulcicoles.

Metals included in the Rare Earth Elements (REE) group, a key resource in green energy technologies, may soon be exploited in Canada. This, combined with their increasing industrial use, could lead to contamination of freshwater ecosystems by these metals. REE risk assessment is therefore of emerging concern. Yttrium (Y) is the only heavy REE amongst the four most abundant REE. It is also the one that has been the subject of the least toxicity studies even though previous studies have shown a higher toxicity for heavy REE than for light REE. Hence, this thesis aims to evaluate in the laboratory the toxicity and trophic transfer of Y, in relation to its subcellular fractionation, in three freshwater organisms: Daphnia magna, Chironomus riparius and Oncorhynchus mykiss. Analysis of metal subcellular distribution provides promising insights in ecotoxicology. Nonetheless, depending on the organism and the homogenisation step chosen, the fractionation protocol may lead to an erroneous separation of the different subcellular components. Thus, the first part of this thesis optimizes the fractionation protocol for our three organisms. Regardless of the protocol used, we observed significant gaps between predicted fractions in literature and fractions validated in our trials. This section concludes with the establishment of fractionation protocols adapted to each of our organisms and the recommendation to use validated fractions instead of predicted ones in future subcellular fractionation studies. The chronic sublethal toxicity of Y was assessed in the second part of this thesis through bioassays on our three organisms. C. riparius, the benthic species, was the only one presenting adverse effects at exposure levels close to those already reported in natural ecosystems. In addition, we observed different subcellular Y management strategies for each organism. For instance, D. magna, by accumulating Y mainly in its detoxified fractions, was able to bioaccumulate up to 100 times more Y than the other two organisms. The last part of this thesis investigates the trophic transfer potential of Y. Experiments consisting in the exposure of trouts either to Y-spiked daphnids or Y-spiked water were performed. As predicted from Y subcellular partitioning in D. magna, Y trophic transfer was low in our trials. Inside O. mykiss, Y was distributed following this order: iv guts > gills > liver > muscle. However, unlike other organs, the liver was the only one for which no Y-depuration was measured. We concluded on the importance of the liver in REE toxicity analysis. This thesis contributes to optimize metal subcellular fractionation method and data produced by this approach. It shows the importance of understanding the mechanisms behind metal toxicity and its transfer in the food chain. Finally, by measuring Y toxicity thresholds and Y trophic transfer potential, this thesis contributes to the risk assessment of Y on freshwater ecosystems.